Demıneralızatıon Of Whey By Electrodıalysıs

Abstract

Peynir altı suyu, peynir üretiminden elde edilen yeşil-sarı renkli bir sıvıdır. Peynir altı suyu, sütün kazein enzimi ile işlenmesine bağlı olarak tatlı ve asidik peynir altı suyu olarak sınıflandırılır. Tatlı (rennet) peynir altı suyu, kimozin enziminin süt proteinlerinin önemli bir kısmını oluşturan sütün kazein fraksiyonu ile tepkimesi sonrası elde edilir. Kimozin enzimatik reaksiyonu sonrasında, sütün kolloidal çözünürlüğü kaybolur. Kolloidal çözünürliğün kaybolması sonucunda kazeinden gelen bir pıhtılaşma görülür ve oluşan bu yapı peynir altı suyu ve lor olarak ayrışır. Peynir altı suyu, %93-94 oranında su ve laktoz, çözülebilir proteinler, mineraller, laktik asit ve yağ gibi süt serumundan oluşmaktadır. Buna ek olarak, peynir altı suyu B grubu vitaminleri, sitrik asit ve bazı protein olmayan azot bileşikleri ile (üre ve ürik asit), β-laktoglobülin, α-laktoglobülin, serum albümin, immünoglobulin ve laktoferrin içermektedir. İkinci tip peynir altı suyu ise fermentasyon işlemi ile elde edilen, asidik peynir altı suyudur. Hem tatlı ve hem asidik peynir altı suyu içinde laktoz en fazla orana sahip bileşendir, bunu peynir altı suyu proteinleri ve mineraller izler. Asidite, peynir altı suyu proteini bileşimi ve mineral içeriği iki peynir altı suyu türü arasındaki en önemli farkları oluşturmaktadır. Aralarındaki en belirgin fark ise, laktik asit içeriğinde görülmektedir. Asidik peynir altı suyu tatlı peynir altı suyuna göre daha fazla laktik asit içermekle beraber, laktik asit oranı peynir altı suyunun besin ve işleme ait değerlerini etkiler. Peynir altı suyu üretimi ve işleme teknikleri hakkında, özellikle son otuz yılda önemli gelişmeler kaydedilmiştir. Özellikle peynir altı suyu bileşenlerinin ayrılması ve sınıflandırılması üzerine artan bir ticari ilgi vardır. Peynir altı suyu proteinleri, yüksek besin değeri ve fonksiyonel özelliklere sahiptir. Bu özelliklerin bir sonucu olarak, büyük ölçüde hem hayvan hem de insan beslenmesinde kullanılmaktadır. Peynir altı suyu proteinleri sahip oldukları fonksiyonel özellikler nedeniyle emülsiyon yapıcı, stabilize edici, köpük ve yapı geliştirici maddeler olarak gıda sanayisinde kullanılabilirler. Aynı zamanda bebek maması, süt ve fırıncılık ürünlerinde, et ve içecek sanayilerinde katkı maddesi olarak da kullanılmaktadırlar. Süt proteinlerinin fonksiyonel özellikleri incelendiğinde, sahip oldukları yüksek besin değeri dışında yapısal, görünüm, viskozite ve tekstür gibi peynir altı suyuna özel özelliklerle de tanımlanır. Ancak proteinlerin fonksiyonel özelliklerini etkin kılan parametreler, taşıdıkları bazı fiziksel ve kimyasal özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Bu proteinlerin fonksiyonel, fiziksel ve kimyasal özelliklerinin gıda işleme sırasında uygulanan farklı tekniklerle değiştirebilineceği tespit edilmiştir. Buna en belirgin örnek olarak denatürasyon ile, proteinlerin yapısının ve hidrofobik etkileşimlerinin artması verilebilinir. Bu nedenle gıda sanayinde önemli bir yere sahip olan süt proteinlerinin fonksiyonel özellikleri bozulmadan işlenmesi büyük önem arz etmektedir. Sahip oldukları bu özellikler, peynir altı suyu proteinleri saflaştırılarak ve diğer bileşenlerden izole edilerek işlevsellik ve besin değeri bakımından arttırılmaktadır. Öte yandan, sahip oldukları yüksek tuz içeriği, peynir altı suyu bileşenlerinin ve peynir altı suyunun uygulama alanını sınırlandırır. Tuz içeriği doğrudan sahip oldukları fonksiyonel özellikleri ve besin değerini etkilemenin yanı sıra, aroma ve kaliteyi de etkiler. Bu nedenle demineralizasyon tekniği diğer teknikler öncesinde uygulanmalıdır. Demineralizasyon işlemi için; elektrodiyaliz, iyon değişimi, nanofiltrasyon, ters ozmoz ve mikrofiltrasyon temel membrane teknikleridir. Bu uygulamalar sahip oldukları itici güç ve operasyon çalışma prensipleri ile farklılaşmaktadır. İyon değiştirme membranları ile elektrodiyaliz, itici güç olarak elektriksel potansiyel farkın kullanıldığı, elektriksel olarak yüklü membranların etkisiyle sulu çözeltiden iyonları ayıran en önemli membran ayırma işlemlerinden biridir. Elektrodiyaliz birçok su işleme teknikleri için kullanılmakla beraber, şeker endüstrisinde demineralizasyon için ve şarap endüstrisinde stabilazatör olarak kullanılmaktadır. Elektrodiyaliz düzeneği içerisinde bulunan iyon değişim membranları, anot ve katot olarak iki elektrottan oluşurlar. Ayrıca elektrodiyaliz düzeneğinde alternatif dizide yerleşmiş anyon ve katyon değişim membranları bulunmaktadır. Doğru akım etkisi ile, bir iyonik çözelti, bu membranlara pompalanır. İtme kuvveti nedeniyle, pozitif katyonlar negatif yüklü katyon değişim zarından kolayca geçer ve katoda doğru hareket eder ve anyon değişim membranı tarafından ise tutulurlar. Anyonlar için ise durum için tam tersi olarak gerçekleşir. Bu işlemin bir sonucu olarak, elektrodiyaliz düzeneği içindeki çözelti, bir tarafta iyon içeriği olarak konsantreedilirken, diğer taraftaki çözeltinin iyon içeriği azaltılarak seyreltilir. Elektrodiyaliz uygulaması ile demineralizasyon işlemi peynir altında bulunan tuzlar bakımından incelendiğinde, sodyum, klor ve potasyum gibi tek değerlikli iyonların kolaylıkla peynir altı suyundan ayrıldığı, kalsiyum gibi çift değerlikli iyonların uzaklaşmasının ise daha zor olduğu görülür. Bunun başlıca sebebi iyonların hareket etme yetenekleridir. Bu yetenek, iyonların sahip oldukları hız, iyonların spesifik elektrik geçirgenliği ile doğru, ortamdaki elektriksel kuvvet, molekül konsantrasyonuyla ters orantılıdır. Demineralizasyon işlemi için, anyon-katyon membranlı elektrodiyaliz, Moravia Lacto A.Ş. (Jihlava, Çek Cumhuriyeti)şirketinden temin edilen, tatlı (rennet) peynir altı suyu tozu ile negatif ve pozitif polaritede 3.5, 7, 10 ve 14 olarak dört farklı yüzdede uygulanır. Her deney öncesi, elektrodiyaliz cihazı damıtılmış su ile yıkanmıştır. Uygulama öncesi elektrodiyaliz düzeninde kullanılmak üzere çözeltiler hazırlanır. Seyreltim yapılacak çözelti kısmı için (diluate) dört farklı yüzdedeki peynir altı suyu çözeltileri hazırlanır. Konsantrasyon yapılacak kısım için HNO3 çözeltisi pH’ı 2 olacak şekilde hazırlanır. Elektriksel çözelti için is 10 g.l-1 konsantrasyonunda NaNO3 çözeltisi hazırlanır. Her elektrodiyaliz deneyi öncesi ve sonrasında, elektrodiyaliz yapısında bulunan iyon değişim zarlarının düzgün çalışıp çalışmadığını kontrol etme amacıyla bir tuz model solüsyonu Na2SO4 kullanılarak hazırlanır ve uygulanır. Testin sonunda, Javg değerleri makro excel belgesi kullanılarak hesaplanmıştır. Demineralizasyon işlemi sırasında, iletkenlik, pH ve sıcaklık değişiklikleri 5 dakika aralıklarla kaydedildi. Deney 16V sabit voltajda gerçekleştirilir ve seyreltilen çözeltinin (diluate) %95 demineralizasyonu sonucunda sonlandırılır. Kullanılan her farklı çözelti için bu zaman aralıkları kaydedilir ve her deney sonunda 45 ml örnek, kül içeriği ve kuru madde belirlenmesi için toplanılır. Elektrodiyaliz uygulamasına ek olarak, ultrafiltrasyon ARNO 700 Clover tip boru şekilli seramik TAMI - Industries membranlarla, %7 oranında hazırlanan peynir altı suyu çözeltisi hazırlanarak uygulanır. Ultrafiltrasyon 50 kDa membran kullanılarak, 2 bar'lık bir sabit basınçta uygulanır ve 300 gram çözelti eldesi sonucunda sonlandırılır. Deney sırasında konsantrasyon faktörü 2 olarak alındı. Böylece 6 litre retentattan 3 litre permeate 3 litre de retentat edilir. Her deney öncesi hazırlanan solüsyondan ve her deney sonrası elde edilen permeate ve retentate örneklerinden 45 ml örnek kül içeriği, kuru madde ve protein analizi belirlenmesi için toplandı. Ayrıca, elektrodiyalizde kullanılan permeate ve retentate numuneleri de 1000 ml ± toplandı. Her bir deney sonunda, elde edilen veriler, peynir altı suyu elektrodiyaliz uygulamasının verimliliğini ve işlevselliğini değerlendirmek amacıyla makro excel belgesine girildi. Bu tezde belirlenen başlıca faktörler Javg, CF, CD_DM, ΔmASH, α ve W olarak belirlendi. Hesaplanan bu faktörler, elektrodiyaliz işlemi için yeni bir yaklaşım olarak, özellikle peynir altı suyu ve peynir altı suyu ürünlerinin demineralizasyon işlemi optimizasyonu için iyi bir kaynak olarak kullanılabilir. Bu parametreler ile elektrodiyaliz ile peynir altı suyu demineralizasyon işlemini enerji, kalite, işlevsellik ve besin değerlerinin optimizasyonu ve iyileştirilmesi yönlerine yardımcı olabilir. Sonuç olarak özetlemek gerekirse, bu çalışmada tatlı (rennet) peynir altı suyu, iyon değişim membranlı elektrodiyaliz yöntemi kullanılarak demineralizasyon yapılmış ve bu süreçte yeni bir yaklaşım olarak elektrodiyaliz yöntemini etkileyen parametreler belirlenerek bu projeye özel bir makro excel belgesinin yardımı ile hesaplanmıştır. Böylece peynir altı suyu elektrodiyaliz sürecini etkileyen faktörlerin belirlenmesi ve bu faktörlerin ilerki uygulamalarda optimizasyonu amaçlanmıştır. Buna ek olarak, ultrafiltrasyon işlemi sonrasında elde edilen permeate ve retentate çözeltileri elektrodiyaliz edilebilmişlerdir. Herhangi bir sorunla karşılaşmadan, permeate ve retentate çözeltileri başarıyla demineralize edilmiştir. Bu çözeltilerin W değerlerine bakılarak, elektrodiyaliz öncesi uygulanan ultrafiltrasyon yöntemi, etkin bir şekilde gıda sanayinde adapte edilebilir. Elde edilen sonuçlara göre bu yöntemin yeni araştırma ve geliştirme çalışmalarına açık olduğu söylenebilinir. Peynir altı suyu demineralizasyon işlemi, gıda teknolojisinde önemli ve kritik bir süreçtir. Özellikle peynir altı suyu proteinlerinin çeşitli membran teknikleri kullanılarak izolasyonu ve konsantre edilmesi alanında son birkaç yıldır yapılan çalışmalar hız kazanmıştır. Gıda sanayisi için değerli olan bu proteinler, kullanıldığı ürünün yapısal ve duyusal özelliklerinin iyileştirilmesine imkân vermektedir. Sahip oldukları yüksek protein içeriği nedeniyle peynir altı suyundan elde edilen protein izolat ve konsantratları, hem sporcular ve vücut geliştiriciler tarafından hem de vejeteryanlar tarafından gıda takviyesi olarak kullanılır. Sonuç olarak, peynir altı suyunun elektrodiyaliz yöntemiyle demineralizasyon işlemi daha fazla araştırma ve incelemeye açıktır. Elektrodiyaliz yönteminin henüz tam olarak tespit edilmemiştir ve çözülmesi gereken pek çok problem bulunmaktadır. Elektrodiyaliz yöntemi, çevreye güvenli, ekonomik, hızlı ve çok etkili bir yöntem olması nedeniyle, özellikle süt endüstrisi için büyük bir potansiyele sahiptir. Bu yöntemle tuz oranı yüksek peynirlerin de demineralizasyonu uygulanabilir.

Whey is a green-yellow colored liquid obtained from cheese production. Whey can separated into sweet and acid whey, depending on the processing technique consequential in casein subtraction from fluid milk. Sweet (rennet) whey is obtained after chymosin treatment from the casein fraction of milk, which is the major fraction of milk proteins. After chymosin enzymatic reaction, colloidal solubility is lost. This leads to separation of coagulum from casein into the cheese curd and whey. Whey is made up of 93-94% of water and milk serum as lactose, soluble proteins, minerals, lactic acid and fats. In addition, whey can contains B group vitamins, citric acid and some non-protein nitrogen compounds (urea and uric acid), β-lactoglobulin, α-lactoglobulin, serum albumin, immunoglobulins and lactoferrin. The second type is acid whey, obtained from fermentation processes. For both of the sweet and acid wheys, lactose is the leading part, whey proteins and minerals follow subsequently. Acidity, whey protein composition and mineral content are the major differences between the two whey types. The chief difference between them is lactic acid content, acid whey can have more lactic acid than sweet whey, which can affect the processing of whey along with the nutritional properties. About whey production and processing techniques, there has been a significant development over the past three decays. Particularly separation and fractioning of whey constituents, has an increased commercial interest. Whey proteins have a high nutritional value and great functional properties. As a result of these properties, they are extensively used both in animal and human nutrition. Whey proteins have a great functionality and they can be used as emulsifiers, stabilizers, foaming and texturizing agents and also they can be part in infant formula, dairy and bakery products, meats and beverages as food additive. If whey proteins are purified and isolated from other constituents in whey, their functionality and nutritional value are increased. On the other hand, because of high salt content, application of whey constituents and whey are restricted. It is directly affect the functional and nutritional properties of whey, as well as its flavor and quality. Therefore, desalination process is precursor technique and should be applied effectively. For demineralization process; electrodialysis, ion exchange, nanofiltration, reverse osmosis and microfiltration are the main membrane techniques to be encounter, which differ, in their driving force and operation princibles. Electrodialysis with ion-exchange membranes is one of the most significant membrane separation processes where it separates ions from an aqueous solution with the help of electrically charged membranes influence of an electrical potential difference as a driving force. It can be used for many water treatments additionally; it is used in wine industry as stabilizer and in sugar industry for demineralization. There are ion exchange membranes in electrodialysis stack, which have two electrodes name as anode and cathode and consist of a chain of anion and cation exchange membranes settled in an alternating array. Under the influence of a direct current, an ionic solution is pumped through these membranes. Due to this driven force, positively charged cations pass easily through the negatively charged cation exchange membrane and move toward cathode and they retained by the anion exchange membrane. For anions situation take place contrarily. As a result of this process, one solution is concentrated conferring to ion content, named as brine or concentrate, whereas other solution is become depleted, name as diluate. For this purpose electrodialysis with anion-cation membranes is applied to rennet whey powder from Moravia Lacto a.s. company (Jihlava, Czech Republic) as four different percentage as 3.5, 7, 10 and 14 at negative and positive polarity. Before each experiment, electrodialysis stack was washed with distilled water. For the diluate part, whey solution was used with different concentration, for the concentrate part HNO3 solution was used with a pH 2, and the electrical solution was used a solution of NaNO3 at a concentration of 10 g.l-1. Before and after electrodialysis, in order to check the membranes working properly or not, a saline test for a model solution Na2SO4 was prepared and conducted. At the end of the test, Javg values are calculated by using macro excel document. During desalination process, changes in conductivity, pH, and temperature were recorded 5 minutes intervals. The experiment was conducted at a constant voltage of 16 V and terminated after reaching 95% desalination of the diluate. At the end of the each experiment 45 ml of diluate was collected in order to determine ash content and dry matter. In addition to electrodialysis, ultrafiltration is applied to 7% of whey solution unit from ARNO 700 with tubular ceramic TAMI-Industries membranes type Clover. Ultrafiltration was conducted at a constant pressure of 2 Bar with a 50 kDa membrane and it was terminated after obtaining 300 grams permeate. Concentration factor during experiment was 2, because of obtaining 3 liters of permeate and 3 liters of retentate from the 6 liters of feed.At the end of the each experiment 45 ml of feed, permeate and retentate were collected in order to determine ash content, dry matter and protein analysis. Correspondingly permeate and retentate samples collected ± 1000 ml for ED experiment. At the end of each experiment, datas are settled in to a macro excel document in order to assess the factors as Javg, CF, CD_DM, ΔmASH, α and W, which can influence efficiency and process of electrodialysis of whey. These factors are a novel parameters of electrodialysis process and can be used as a good source to optimize the desalination process especially for whey and whey products. It can assist to optimization of energy, quality, functional and nutritional properties of whey. It can be concluded, sweet rennet whey is treated by electrodialysis with ion exchange membranes and factors which influence efficiency and process of electrodialysis of whey are determined and calculated with a help of a macro excel document especial to this project. In addition, electrodialysis process of retentate and permeate solutions, which are obtained after ultrafiltration process are calculated. It is shown that retentate and permeate solution, successfully applied in electrodialysis. Without meeting any problem, retentate and permeate solutions can be desalinated. According to their W values, it can be said that ultrafiltration before electrodialysis can be effectively adapted to food industry and they are open to new research and development. Whey desalination is an essential and crucial process in food technology. On the other hand, it has been examined only for last few decays. Consequently, further research and examination is needed to apply. There are many features that have not been yet completely determined and some problems needed to be solved. Especially in dairy industry electrodialysis has an excessive potential because it is a safe, economic, fast and very effective method, that can be applied to remove salts even from highly salted wheys.